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粉煤灰混凝土與粉煤灰砂漿－概述

作者： 來源： 時間：2015-4-25 9:36:28 點擊次數(shù)：1879


第三章　粉煤灰混凝土與粉煤灰砂漿


    在第一章敘述粉煤灰的特性時提到粉煤灰具有火山灰活性。所謂“火山灰活性”是指其能在常溫下與石灰起化學反應生成具有膠凝性能的水化產(chǎn)物的性能。由于硅酸鹽水泥在水化過程中要產(chǎn)生游離石灰（以氫氧化鈣的形式存在），對混凝土性能弊多利少，而粉煤灰的火山灰活性使其能與這些游離石灰結合生成新的膠凝物質，制成比普通混凝土性能優(yōu)良的優(yōu)質混凝土。因此，在混凝土中摻入粉煤灰，不但能部分代替水泥，降低工程造價，而且能改善和提高混凝土的性能，是高性能混凝土的理想摻合料。在現(xiàn)代混凝土中，粉煤灰已經(jīng)與水泥、集料、水、外加劑同樣重要，成為混凝土的一個重要組份。粉煤灰高性能混凝土是以耐久性為主要目標進行設計的混凝土。它以優(yōu)異的耐久性（而不一定是高強度）為主要特征，也就是說，任何強度等級的混凝土都可以做成高耐久性混凝土。

我國已故工程院資深院士吳中偉同志在其支世前不久發(fā)表的著名文章：“高性能混凝土——綠色混凝土”中指出：“水泥混凝土作為較大宗人造材料，其資源、能源與環(huán)境問題十分突出，必須及早解決，否則將成為不可持續(xù)發(fā)展的材料。尤其在中國，人口眾多，水泥混凝土的需量特大，而資源并不富裕，環(huán)境問題也十分突出。為解決這些問題，混凝土的生產(chǎn)及施工技術必須從原始落后的，以消耗大量資源、能源為代價的粗放生產(chǎn)經(jīng)營方式，向大量節(jié)約資源、能源，減輕地球環(huán)境負荷及維護生態(tài)平衡的具有較新、較高技術水平的生產(chǎn)經(jīng)營方式發(fā)展。”吳中偉院士接著指出：要達到上述目標，必須發(fā)展綠色高性能混凝土（GHPC）。他對“綠色”的涵義根括為：

（1）節(jié)約資源、能源；

（2）不破壞環(huán)境，更應有利于環(huán)境；

（3）不破壞環(huán)境，既要滿足當代人的需要，又不危害后代人滿足其需要的能力。

他認為，“高性能混凝土”應具有以下特征：

（1）更多地節(jié)約孰料水泥，降低能源與環(huán)境污染；

（2）更多地摻加工業(yè)廢料為主的細摻料；

（3）更大地發(fā)揮混凝土的高性能優(yōu)勢，減少水泥與混凝土的用量。

基于上述對“綠色”和“高性能混凝土”的認識，發(fā)展粉煤灰混凝土就是發(fā)展綠色高性能混凝土，是實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措。

第一節(jié)　概述


　　一、粉煤灰在高性能混凝土中的作用機理


　　過去，我們認為粉煤灰只是一種節(jié)約水泥的混合材，摻入粉煤灰將使混凝土強度降低，以至于人們總是以消極的態(tài)度對待粉煤灰在混凝土中的應用，認為在混凝土中摻入粉煤灰是以降低強度為代價的。但是，自從20世紀80年代后期高性能混凝土開始發(fā)展并獲得廣泛應用后，粉煤灰的作用發(fā)生了變化。高性能混凝土的特點是：膠凝材料用量大，水膠比低，利用高效減水劑來獲得較大的流動性。在這種混凝土中，如果不摻粉煤灰，由于拌和用水量小，使早期水泥水化的水分不足，不能充分發(fā)揮全部膠凝材料的活性作用，而且由于會產(chǎn)生較大的水化熱，不利于形成完好、密實的混凝土結構。摻入粉煤灰后，正好解決了上述問題，也就是說，摻入粉煤灰可以改善早期水泥的水化條件，提高混凝土的工作性，發(fā)送水泥與外加劑的相容性，降低水化熱，使混凝土形成密實的內(nèi)部結構。因此，粉煤灰不是水泥的替代物，而是混凝土的一個獨立組份，使用它的目的在于提高混凝土的某一種或某一些重要性能。

對于粉煤灰在高性能混凝土中的作用機理，清華大學土木工程系覃維祖教授通過研究作出如下解釋：

長期以來，混凝土通常是在水灰比（或水膠比）相當大的條件下制備的（例如W/C≥0.6），這時漿體中水分所占體積大約為2/3，而懸浮在其中的水泥顆粒僅占1/3，因此需要大量的水化生成物填充于骨料與水泥顆粒的間隙，才能將其粘結為一個整體。在這種情況下，水泥的水化活性是決定性因素：水化活性越大，意味著水化速率越快，水化生成物越多，膠凝性能也越好，活性高的水泥有充分水化條件，生成大量的凝膠與結晶，滿足填充空隙的需要。因而在用粉煤灰作水泥替代材料時，通常首先考慮它們的水化活性大小，即填充空隙的能力。粉煤灰與水泥水化釋放的氫氧化鈣反應，形成低鈣C-S-H的過程本來就緩慢，要3~7d才開始；加上氫氧化鈣通過表面水化生成物層向內(nèi)部擴散十分困難，因此在混凝土拌和后相當長時間里，粉煤灰的水化產(chǎn)物依然不多，填充空隙的能力差，宏觀表現(xiàn)為混凝土強度在一定齡期里隨粉煤灰摻量大呈線性下降。

在混凝土拌和物的水膠化比（水灰比）可以大大降低的情況下（例如W/C≈0.30），水泥顆?；蛩鄵胶狭项w粒的間距明顯減小，需要填充空隙的消化生成物量也隨之大大減少。高活性的水泥與摻合料迅速的水化，很快地消耗掉體內(nèi)本來較少的水分，因此，供水不足成為影響它們充分水化的主要矛盾。當然如果能及時從外界補充水分，體內(nèi)缺水可以緩解，然而實際情況是通常不可能及時而充分地補充水分；同時，在低水灰比情況下混凝土泌水明顯減少乃至基本消失，體內(nèi)的毛細孔在很短時間里被水化生成物填充而阻塞，使外界水分也沒有進入混凝土的通道，致使水泥與摻合料無法充分水化，留下大量未水化的顆粒內(nèi)芯。雖然內(nèi)芯與水化產(chǎn)物的界面粘結強度很好，但因為硬化水泥漿體內(nèi)大量微孔缺水，會使其自身收縮明顯增大，加上由于早期溫升加劇導致較大的溫度收縮。在這種收縮變形、環(huán)境溫濕度變化、荷載等因素形成的應力疊加作用下，混凝土的微結構和性能產(chǎn)生不利的變化，其中較常見的現(xiàn)象就是宏觀裂紋，外界水分和浸蝕性介質沿裂縫侵入，并逐漸延伸、擴展，給本來密不透水的混凝土結構帶來危害。

摻入粉煤灰后以上問題得到了解決。由于粉煤灰水化較緩慢，混凝土拌合物的初始水灰比實際要大得多（水膠比一定的條件下，粉煤灰摻量越多，它自然也就越大），這時高活性水泥的水化顯然要比不摻粉煤灰的低水膠比的混凝土的水化迅速而充分，產(chǎn)生大量的水化生成物去填充相對較小的空隙，釋放出的氫氧化鈣則提供粉煤灰后續(xù)的水化，合混凝土隨齡期增長日益密實，水泥石和骨料的界面得到顯著加強（過渡區(qū)薄弱的氫氧化鈣結晶大在減少），因此獲得良好的力學性能和耐久性。雖然在拌合時，一部分水分會為粉煤灰所吸附，但是，在水泥水化消耗水分形成的濕度梯度作用下，粉煤灰內(nèi)的水分會不同程度的倒汲出，對水泥的繼續(xù)水化起了一種“內(nèi)養(yǎng)護”的作用，這遠比通常的外部養(yǎng)護作用更大、更均勻。


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    二、粉煤灰混凝土的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

    上海市建筑科學研究院高級工程師吳正嚴同志發(fā)表的文章：“粉煤灰混凝土的發(fā)展方興未艾”[38],，對粉煤灰混凝土的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀作了全面系統(tǒng)的介紹，很具權威性，現(xiàn)轉述如下：

    1.國外發(fā)展簡況

    1935年美國學者R*E戴維斯（Davis）首先進行了粉煤灰混您土應用的研究，他是粉煤灰混凝土科學技術的先驅。1948~1953年美國墾務局在建造蒙大拿州馬壩工程中使用10余萬噸粉煤灰，取得了改善混凝土性能、節(jié)約水泥的優(yōu)良效果。20世紀50年代，英國、法國、德國、前蘇聯(lián)、波蘭、日本、印度等國在水利工程中也都使用了粉煤灰。從60年代開始，美英等國對粉煤灰混凝土的研究與開發(fā)，進入了一個新的發(fā)展階段。他們在所承包的香港地鐵工程和東南亞港口工程中，不惜以每噸65美元接近與水泥的價格從我國購買粉煤灰摻入混凝土中，可見粉煤灰混凝土所起的重大作用已受到極大的重視。同時，60年代世界各國相繼實施防止空氣污染法令后，電廠增加了電除塵裝置，粉煤灰的質量大大提高，干排灰數(shù)量增加，為發(fā)展粉煤灰混凝土創(chuàng)造了更好的條件。至80年代，粉煤灰已逐步發(fā)展成為混凝土的基本組份。1982年在英國利茲召開了“粉煤灰在混凝土中應用”第一屆學術討論會，會議對粉煤灰在混凝土中的作用做了行的評價、認為它是一種具有獨特性能的新材料，可以在結構混凝土中加以應用。在大量試驗研究和工程實踐的基礎上，不少國家相繼制訂了粉煤灰標準，如美國在1965年頒布的“ASTMC618”《粉煤灰暫行標準》，1982年英國頒布的“BS3892：Partl《作為結構混凝土中膠凝物質組份的粉煤灰標準》。

    2.我國發(fā)展簡況

    我國從1958年以來，先后在黃河三門峽、劉家峽、陳村、合山、歐陽海灌渠、臺灣霧社壩等水利工程中，使用粉煤灰混凝土取得了降低水化熱、改善性能、節(jié)約水泥的良好效果。在工業(yè)與民用建筑工程中，也已于20世紀50年代開始使用，如桂林沙河電廠的地下鋼筋混凝土工程摻原狀粉煤灰10%~25%,1956年在齊齊哈爾鋼廠軋鋼車間的預制鋼筋混凝土柱中也摻了12%的原狀粉煤灰。

    上海市是我國發(fā)展粉煤灰混凝土的先進城市，上海市建筑科學研究院已故教授級高級工程師沈旦申同志是我國粉煤灰混凝土科學研究和開發(fā)事業(yè)的奠基者之一。建設部所屬的中國城鄉(xiāng)粉煤灰利用技術開發(fā)中心也沒在上海建科院。早在20世紀50年代，上海市就開始了粉煤灰混凝土的科學研究，1958年在上海地下工程中采用了粉煤灰混凝土，80年代上海市成為全國發(fā)展粉煤灰混凝土新技術試點城市。1978年上海市建成了年產(chǎn)5000t的磨細粉煤灰中試車間，1982年建成了閔行年產(chǎn)10萬t的磨細粉煤灰廠，1989年以后又相繼建設了幾座年產(chǎn)10萬t的磨細粉煤灰廠，這類工廠現(xiàn)共有5座，總生產(chǎn)能力50萬t。

    上海在粉煤灰混凝土的應用技術方面也取得了舉矚目的成績，突出表現(xiàn)在用磨細粉煤灰配制大流動度泵送混凝土，用于南浦大橋（C40—泵至154m高）、楊浦大橋（C50—泵至230m高，C40—泵至350m高）和88層的金茂大廈（C40—泵至380m高）等重市政工程和超高層建筑。

    為了保證粉煤灰混凝土積極而又穩(wěn)妥地發(fā)展，上海市制定了一系列的方針政策和技術規(guī)程，例如，上海市建委在1988年頒布了利用磨細粉煤灰節(jié)約水泥實行專項獎勵的規(guī)定，1994年頒布了“上海市粉煤灰綜合利用管理規(guī)定”的89號市長令，1992年制訂了“DBJ08-27-92”《粉煤灰渣在混凝土和砂漿中應用技術規(guī)程》，1998年又頒布了《高鈣粉煤灰混凝土應用技術規(guī)程》。

    舉世矚目的三峽工程于1994年正式開工，整個工程混凝土量為2799萬m3，其中大壩混凝土工程量為1527萬m3。在大壩混凝土中，確定摻加I級粉煤灰量高達30%，通過高摻I級粉煤灰和高效堿水劑、引氣劑制備出水泥量少、水化熱低、用水量少、抗?jié)B性好、耐久性好的高性能混凝土。

    現(xiàn)在，我國粉煤灰混凝土新技術已經(jīng)發(fā)展到了一個相當成熟的水平，1979年，國家頒布了“BG1596—79”《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，對摻人混凝土中的粉煤灰明確限定了質量指標；1986年，建設部頒布了“JBJ28—86”《粉煤灰在混凝土和砂漿中應用技術規(guī)程》；1990年，國家又頒布了：“GBJ146—90”《粉煤灰混凝土應用技術規(guī)范》，這些標準、規(guī)程和規(guī)范的貫徹實施，可以確保我國的粉煤灰混凝土沿著健康的軌道快速發(fā)展。
    三、我國粉煤灰混凝土的發(fā)展前景

    隨著我國電力工業(yè)技術裝備水平的突飛猛進，用電收塵器收集的干粉煤灰量日漸增多，粉煤灰質量日益提高。據(jù)了解，其中I級粉煤灰年產(chǎn)量已達65萬t，三峽工程粉煤灰質檢站對411組灰樣的檢查結果是：平均細度6.5%、需水量比91.5%、燒失量為1.84%、含水量0.17%、SO3含量0.56%，堿含量不超過1.5%、都達到或超過了國家標準對I級灰的要求。三峽工程用這種高質量的粉煤灰配制的混凝土，水泥用量僅為88kg/m3，粉煤灰摻量達到88kg/m3,90d齡期的抗壓強度達到29.3MPa。按照三峽工程建委專家組的意見，粉煤灰摻量需從現(xiàn)有的占膠凝材料總量的30%~32%的基礎上在提高5%，可高達到40%。在日本，這一比例甚至高達70%。正是由于大量摻加粉煤灰，使新拌混凝土可降溫5℃~10℃，大大改善了混凝土的抗裂性。大量II級灰的質量雖然不如I級灰，但經(jīng)過球磨機研磨后，活性膠原狀灰大大提高，使原狀灰成為勻化的、變異性較小的細微粒屑，原狀灰中的實心和厚壁玻璃球雖然不易磨碎，但表面會出現(xiàn)擦痕，也有利于化學反應和顆粒界面的結合，因此，磨細灰也能配制出優(yōu)良品質的粉煤灰混凝土?？傊?，經(jīng)過將近半個世紀電力工業(yè)的發(fā)展和各方面有關人員的辛勤勞動，為粉煤灰混凝土的發(fā)展打下了強有力的物質基礎和技術基礎，我們相信，在新的世紀粉煤灰混凝土的開發(fā)將結出更加豐碩的果實。


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